INSTRUMENTOS DE ENSINO EM BIOLOGIA VEGETAL: NOTAS

The Plant Cell, May 2013, www.plantcell.org ã 2013 American Society of Plant Biologists.
INSTRUMENTOS DE ENSINO EM BIOLOGIA VEGETAL: NOTAS PARA AS AULAS TEÓRICAS
O Mundo dos Pequenos RNAs
Os pequenos RNAs conferem especificidade a um conjunto de processos celulares, coletivamente designados por
silenciamento mediado por RNA, os quais controlam a expressão de muitos genes e mantêm num estado
quiescente vírus e transposões. Devido ao seu tamanho, os pequenos RNAs não foram reconhecidos como
moléculas reguladoras até muito recentemente. A surpreendente velocidade a que os pequenos RNAs têm sido
identificados e a sua ação decifrada é um testemunho do poderoso sinergismo existente entre a genética do
século XXI, a bioquímica e as tecnologias genómicas. Os mecanismos de silenciamento mediado por RNA são
idênticos (“estão conservados”) em grande medida em todos os grupos de seres eucarióticos e há evidência para
a existência de mecanismos semelhantes de silenciamento pelo RNA nos procariotas. Este artigo foca-se nas
funções dos pequenos RNAs nas plantas.
Os pequenos RNAs formam-se por clivagem específica de moléculas mais longas de RNA, por ação de RNases
DICER ou tipo-DICER (DCL). Depois de formados, os pequenos RNAs ligam-se a uma ou várias proteínas
ARGONAUTE (AGO) e, através do emparelhamento das bases nucleotídicas complementares, identificam os
mRNAs alvos de ação das AGO. As proteínas AGO silenciam os seus alvos através de clivagem, de interferência ao
nível da tradução ou por modificações da cromatina dos loci genómicos que codificam os alvos. O silenciamento
pelo RNA foi primeiramente reconhecido como um processo que silencia RNAs de origem exógena, tais como
vírus ou RNA ou DNA experimentalmente introduzido nas células. Subsequentemente, o silenciamento pelo RNA
foi identificado como um processo regulador de DNA endógeno, incluindo tanto regiões não-génicas do genoma
como genes, e verificou-se ser fundamental para o controlo de muitos processos fisiológicos e de
desenvolvimento. No seu conjunto, estas descobertas revelaram importantes processos através dos quais os
organismos controlam a expressão dos seus genes e mantêm a sua integridade genómica. Estas descobertas
também constituem novas oportunidades de terapias para tratamento de doenças e ferramentas para modificar a
expressão dos genes.
Embora sejam bioquimicamente muito próximos, os pequenos RNAs de interferência (siRNAs) e os micro-RNAs
(miRNAs) diferem do ponto de vista funcional e no seu processo de formação. Os miRNAs derivam de moléculas
de RNA de cadeia simples (codificadas por genes MIR específicos), que adquirem uma estrutura característica
enrolada em forma de haste e ansa (“stem-loop structure”). A porção de RNA de cadeia dupla (dsRNA) assim
originada é clivada por uma endonuclease DICER em pequenos miRNAs, os quais vão atuar em “trans” sobre a
transcrição de outros genes para modular a sua expressão espacial e temporal. Distintamente, os siRNAs derivam
de longos precursores de dsRNA produzidos pela ação de RNA polimerases dependentes de RNA (RdRPs), quer
celulares quer virais. Portanto, os siRNAs não são codificados por genes próprios e as suas funções são mais
defensivas (isto é, defesa contra agentes patogénicos e stress genómico, como seja a atividade de transposões).
Os siRNAs que atuam em “trans” (tasiRNAs) são uma classe especial de siRNAs que parece funcionar em
processos de desenvolvimento (muito semelhantemente aos miRNAs), mas têm um modo de formação que lhes é
único, que envolve componentes de ambos os metabolismos de miRNA e de siRNA. Serão primeiramente
discutidas as funções de siRNAs, depois de miRNAs e, por último, de tasiRNAs e de outros pequenos RNAs menos
abundantes.
siRNAs: DEFENSORES GENÓMICOS
Pensa-se que o silenciamento do RNA via siRNA se originou como um sistema através do qual as células se
protegem contra a ação de moléculas patogénicas, que incluem os vírus e os transposões. Os fenómenos de
silenciamento foram reconhecidos nas plantas na década de 1980 durante a investigação da resistência aos vírus
e nos estudos iniciais de plantas transgénicas. Simultaneamente, fenómenos semelhantes foram identificados no
nemátodo Caenorhabditis elegans. (A compreensão gradual pela comunidade científica do significado destes
estudos é descrita de uma forma muito viva por Matzke and Matzke [2004]). Os siRNAs são produzidos a partir de
longas moléculas de dsRNA, que podem originar-se, via replicação de dois genes sobreponíveis, um genoma viral,
ou um intermediário da replicação viral, ou podem ser o produto de um RdRP. Independentemente da sua origem,
os dsRNAs são reconhecidos pela célula como indesejáveis e, portanto, são rapidamente clivados pelas DCL
RNases, em siRNAs (usualmente com comprimentos de 21 a 24 nucleótidos). Os siRNAs ligam-se às proteínas AGO
e podem clivar, ou interferir com a tradução, de sequências complementares (silenciamento pós-transcricional de
genes) ou então interferir com a transcrição de sequências de DNA equivalente (silenciamento transcricional de
genes). Quando as longas moléculas de RNA têm origem viral, este processo é frequentemente designado por
silenciamento de genes induzido pelos vírus.
SILENCIAMENTO DE GENES INDUZIDO POR VÍRUS
As plantas, como os animais, são suscetíveis à infeção por vírus mas, contrariamente aos animais, não produzem
anticorpos para se defenderem dessas infeções. Contudo, apesar de não possuírem a imunidade baseada em
anticorpos que nós temos, as plantas podem recuperar da infeção viral e adquirir resistência específica à
subsequente infeção pelo mesmo vírus ou vírus relacionados. A resistência viral pode ser sistémica, significando
que os tecidos não infetados adquirem imunidade ao vírus e sugerindo que algum tipo de sinal é produzido e se
move por toda a planta.
A imunidade das plantas aos vírus pode ser conferida pela introdução de genes virais na planta, exigindo quer a
transcrição de um gene do vírus quer a replicação viral através de um RNA intermediário. Em 1999, Hamilton e
Baulcombe sugeriram que os RNAs virais copiados em RNAs anti-sentido (“antisense RNAs”), formariam a base da
resistência viral, e identificaram pequenos RNAs anti-sentido correlacionados com o silenciamento de genes.
Sabe-se agora que dsRNAs são processados por RNases DCL em siRNAs, os quais se ligam a proteínas AGO e têm
como alvo vírus ou sequências nucleotídicas relacionadas. Em alguns casos, um intermediário da replicação de um
dsRNA viral é o substrato para a clivagem pela DCL, mas, aparentemente, a DCL também reconhece e processa
estruturas emparelhadas semelhantes a um “gancho de cabelo” (“hairpin-like structures”), que são formadas por
alguns RNAs virais de cadeia simples. Plantas mutantes que são incapazes de produzir siRNAs são mais suscetíveis
a doenças virais.
A resistência viral sistémica também é mediada por silenciamento através de siRNA, o qual se difunde a partir do
local da infeção para as regiões não infetadas da planta. O sinal espalha-se localmente através dos plasmodesmos
(conexões citoplasmáticas entre células vegetais) e transloca-se extensamente através do floema. A resistência
sistémica exige que o sinal primário seja amplificado pelos RdRPs das células hospedeiras. Há muito que se
suspeitava de que o sinal sistémico fosse siRNA e, no ano de 2010, dois grupos de investigadores mostraram que
os pequenos RNAs podiam movimentar-se sistemicamente através da planta e que eram necessários e suficientes
para o silenciamento sistémico. Os resultados mais recentes sugerem que o siRNA se movimenta sistemicamente
na forma de um pequeno duplex de RNA.
Na corrida aos armamentos, típica entre hospedeiro e agente patogénico, a maioria dos vírus codifica supressores
dos mecanismos de silenciamento pelo RNA da célula hospedeira; os vírus em que se eliminou esses supressores
experimentalmente são significativamente menos patogénicos. Os alvos dos supressores virais incluem, DCLs,
RdRPs, e AGOs. Recentemente, os siRNAs também foram reconhecidos como supressores de bactérias
patogénicas, o que indica que o silenciamento pelo siRNA é um componente integral e essencial do arsenal
defensivo da planta. É interessante verificar que, comparativamente a outros eucariotas, nas plantas a maioria
dos componentes do mecanismo de silenciamento pelos pequenos RNAs são amplificados através da duplicação
de genes. Esta amplificação confere maior garantia (devido a efeito de redundância) e maior diversidade no
silenciamento dos agentes patogénicos.
SILENCIAMENTO INDUZIDO POR GENES EXÓGENOS
Na década de 1980 os cientistas desenvolveram métodos para introduzir DNA, de forma estável, no genoma
nuclear das plantas. Foram introduzidos certos genes (transgenes) para adicionar uma característica,
nomeadamente um gene que confere resistência a antibióticos, ou adicionou-se um gene viral para tentar
aumentar a resistência a vírus. Outros transgenes foram introduzidos para tentar aumentar o nível de expressão
de um gene endógeno, através de sobre-expressão, ou para suprimir a sua expressão, através de um transcrito
anti-sentido que se liga ao mRNA, impedindo a sua tradução. Muitas destas plantas transgénicas expressaram as
características desejadas, mas também se observaram fenótipos anómalos. Particularmente confusos (e
reveladores) foram os resultados descritos em dois artigos marcantes, publicados na década de 1990, nos quais a
expressão de uma enzima-chave da biossíntese de pigmentos vegetais, a chalcona sintase, foi modificada
experimentalmente. Nas plantas com o gene anti-sentido (isto é, as que expressavam um transcrito
complementar do mRNA em causa), por vezes o efeito da supressão era originar plantas de pigmentação
variegada. Mais surpreendentemente, algumas das plantas controlo, que expressavam a cadeia nucleotídica em
sentido direto, mostravam efeitos idênticos às plantas que continham a sequência anti-sentido; o gene endógeno
tinha sido silenciado. Este fenómeno, em que se verificava, não só, o silenciamento do gene introduzido na planta
mas, também, se induzia o silenciamento de genes endógenos relacionados ou de outros transgenes, foi
designado por co-supressão. Este efeito sobre a expressão da cadeia nucleotídica em sentido direto não podia ter
sido causado pela formação do duplex (cadeia de sentido direto/cadeia anti-sentido) porque o gene introduzido e
o gene endógeno eram idênticos e não complementares. Os resultados sugeriam que um fenómeno mais
complexo estava a ocorrer, que hoje se sabe ser um silenciamento mediado por siRNA, no qual um nível
anormalmente elevado do transcrito pode desencadear a formação de siRNA e a degradação do mRNA. Nos
animais-modelo, um efeito semelhante foi designado por interferência de RNA. Em 1998, Fire e Mello publicaram
um estudo de interferência de RNA em C. elegans que mostrou ser o dsRNA o desencadeador ótimo do
silenciamento; estes cientistas receberam, em 2006, o prémio Nobel pelos seus estudos.
SILENCIAMENTO TRANSCRICIONAL GÉNICO DE DNA ENDÓGENO
No fenómeno do silenciamento transcricional de genes, os siRNAs atuam, de um certo modo, sobre as enzimas de
DNA que lhes estão associadas e que modificam covalentemente o DNA ou as proteínas das histonas à volta das
quais o DNA cromossómico se encontra enrolado. O silenciamento transcricional de genes foi caracterizado pela
primeira vez em plantas transformadas com dois transgenes, em que um deles interferia com a expressão do
outro através da indução da sua metilação e silenciamento. Apesar de decorridos muitos anos de estudo, o
mecanismo preciso através do qual os siRNAs efetuam o silenciamento transcricional de genes não está
completamente elucidado, em parte devido à sua notória complexidade, particularmente nas plantas. Contudo,
todos os anos surgem novas descobertas surpreendentes, como foi o caso da identificação de dois complexos de
RNA polimerase específicos das plantas. Enquanto que os outros seres eucarióticos usam três RNA polimerases, as
plantas possuem cinco. As RNA polimerases específicas das plantas, IV e V, funcionam especificamente nos
mecanismos de silenciamento génico mediado pelos pequenos RNAs. A descoberta destas RNA polimerases
especializadas realça a importância e o papel central destes mecanismos na regulação dos genes vegetais.
Recentemente, tornou-se possível sequenciar centenas de milhar de moléculas de pequenos RNAs de um único
tecido ou população de células. Estes estudos de sequenciação em larga escala revelaram que as classes mais
abundantes de siRNAs estão envolvidas no silenciamento transcricional de transposões e de outras regiões
heterocromáticas do genoma silenciadas, nas quais esses siRNAs contribuem para a metilação do DNA e a
modificação de histonas, de um modo dependente do RNA. A produção de siRNAs depende da transcrição pela
RNA polimerase IV, da cópia dos transcritos em dsRNA pelas RdRP e da clivagem pelas DCLs. Os siRNAs interatuam
com as AGO e os transcritos produzidos pela acção da RNA polimerse V para desencadear o silenciamento da
sequência de DNA associado, através da modificação de histonas e da metilação de DNA. Este processo também
pode ocorrer de forma autónoma não-celular. Durante a reprodução das angiospérmicas, os siRNAs produzidos
em células específicas do gametófito movem-se para as células reprodutoras para reforçar o silenciamento de
genes. Embora a maioria dos siRNAs tenha origem em regiões repetitivas e não-codificantes do genoma, o
silenciamento epigenético mediado por siRNAs também controla a expressão de muitos genes, processos de
desenvolvimento e respostas ambientais.
miRNA: REGULADORES ENDÓGENOS DA EXPRESSÃO DE GENES
Os miRNAs são codificados por genes MIR e actuam em “trans” sobre os transcritos de outros genes. Os miRNAs
de algumas plantas funcionam como os miRNAs dos animais, interferindo com a tradução do mRNA dos seus
alvos, mas a maioria dos miRNAs de plantas cliva os seus mRNAs alvo. Os miRNAs de plantas ligam-se,
frequentemente, na região codificante ou na região 5’ não-traduzida (UTR), exigindo uma quase perfeita
complementaridade com os seus alvos. Devido a esta exigência de forte complementaridade, pensa-se que os
genes MIR de plantas estão relacionados com os seus genes-alvo, tendo resultado de um processo de duplicação
génica. Os precursores dos genes MIR possivelmente adquiriram uma duplicação anti-sentido, seguida de deriva
genética, ficando apenas com uma curta região de complementaridade com o gene-alvo. Nas células animais, as
interações dos miRNAs com os seus alvos são fundamentalmente diferentes das que ocorrem nas plantas. Uma
muito maior proporção de genes animais é regulada por miRNAs, ligando-se a maioria dos miRNAs animais na
região 3’ UTR dos seus alvos, sem necessidade de uma complementaridade muito extensa. Pensa-se que
alterações graduais das regiões 3’ UTR das sequências dos mRNAs animais tenham levado a uma deriva que as
transformou em alvos de miRNAs.
Os genes MIR codificam longos transcritos designados por miRNAs primários, ou pri-miRNAs, os quais possuem
regiões de auto-complementaridade extensa mas imperfeita. Os transcritos pri-miRNA dobram-se sobre si
próprios, adquirindo uma estrutura parcial de hélice dupla de haste com ansa, ou estrutura em “gancho de cabelo”
(“hairpin structure”, hpRNA), que é clivada por ação de DCL1. O produto desta clivagem é um dsRNA que possui
nas extremidade 3’dois nucleótidos “pendurados” e que se designa por duplex miRNA-miRNA*. Este duplex sai do
núcleo com a ajuda de uma HASTY homóloga de uma exportina-5, cujo gene foi identificado como crítico para o
desenvolvimento juvenil, como mais abaixo se descreverá. Muitos dos genes envolvidos no processamento do
miRNA foram primeiramente identificados como genes que controlam o desenvolvimento, o que ressalta as
importantes funções dos miRNAs como reguladores do desenvolvimento.
Os miRNAs foram inicialmente descobertos por cientistas que estudavam dois genes, lin-14 e lin-4, que
promoviam ou reprimiam o desenvolvimento do nemátodo C. elegans. Os estudos genéticos mostraram que o lin4 tinha ação antagónica do lin-14, mas que o lin-4 não codificava nenhuma proteína. O domínio funcional do lin-4
foi identificado, tendo-se verificado ser complementar de várias regiões 3’ UTR de lin-14. Demonstrou-se,
subsequentemente, que a interação entre estas sequências complementares era necessária para ocorrer a
repressão de lin-14 por lin-4, revelando, assim, a base da regulação de genes pelos miRNAs. Para que o
desenvolvimento progredisse adequadamente em C. elegans, a atividade promotora de juvenilidade do gene lin14 tinha de ser reprimida pela ação do miRNA codificado por lin-4.
Embora relativamente poucos genes das plantas sejam regulados por miRNAs, muitos genes MIR podem ser
identificados nos genomas vegetais, mas a maior parte deles não são conservados e, presumivelmente, não
conferem nenhuma vantagem seletiva. Tem sido sugerido que os genes MIR têm altas taxas de “nascimento e
morte”, e que apenas alguns terão tido por acaso sobrevivência benéfica. Em 2013 havia quase 250 genes MIR
identificados em Arabidopsis thaliana, agrupados em mais de 50 famílias, cada família codificando um miRNA
“maduro” idêntico ou essencialmente idêntico. Mais de metade das famílias de genes MIR de Arabidopsis incluem
um único membro. Oito famílias estão conservadas entre todas as plantas multicelulares, incluindo os musgos, e
outras 10 famílias estão conservadas entre todas as angiospérmicas.
Entre os miRNAs evolutivamente conservados contam-se os que atuam sobre reguladores do desenvolvimento,
como sejam os fatores de transcrição. São exemplos, miR160, que atua sobre fatores de transcrição ARF que
respondem às auxinas; miR172, que atua sobre fatores de transcrição do tipo AP2, que afetam a identidade dos
órgãos florais e o ritmo do seu desenvolvimento; miR390, que atua sobre fatores de transcrição do tipo TCP, que
afetam a morfogénese da folha. Muitos processos de desenvolvimento são influenciados por miRNAs,
nomeadamente, a transição para o desenvolvimento reprodutivo, a mudança da fase vegetativa e o padrão de
desenvolvimento. Os miRNAs também contribuem para o controlo da homeostase nutricional e das respostas ao
stress. Serão ilustradas algumas das formas através das quais os miRNAs contribuem para os processos vegetais,
descrevendo-se, brevemente, as suas funções na mudança da fase vegetativa, no padrão de desenvolvimento e
na absorção de fosfato.
CONTROLO PELO miRNA DE ALTERAÇÕES NA FASE VEGETATIVA
Muitas plantas exibem um desenvolvimento progressivo das fases vegetativas, de embriónica, a juvenil, a adulta,
a reprodutiva. A progressão de juvenil a adulta é designada por mudança da fase vegetativa, a qual afeta
características que incluem a forma da folha e seu arranjo, comprimento dos entrenós e acumulação de pêlos
epidérmicos e de ceras epicuticulares. O gene HASTY codifica uma exportina, que é necessária para a saída do
miRNA do núcleo. Mutantes com perda de função de Hasty aceleram o momento da mudança da fase vegetativa,
o que evidencia um papel do miRNA neste processo. De forma idêntica, os mutantes de perda de função do gene
ZIPPY, que codifica uma proteína AGO, expressam prematuramente as características adultas da fase vegetativa.
A transição da fase juvenil para adulta envolve a ação sequencial de miR156 e miR172, cada um deles atuando
sobre fatores de transcrição que regulam mudanças de fase. No milho (Zea mays), três mutantes (Corngrass1,
teopod1 e teopod2) que manifestam um atraso no estabelecimento da fase adulta, todos eles sobre-expressam o
altamente conservado miR156, cujos alvos incluem genes com o domínio SBP (SQUAMOSA PROMOTER BINDING
PROTEIN-box) (genes designados SPL, em Arabidopsis) que promovem a transição para o crescimento adulto. As
proteínas com domínios SBP são fatores de transição cujos alvos incluem os reguladores-chave de floração FT,
SOC1, LFY e AP1. A introdução de genes com domínio SBP, resistentes a miRNA, ou a eliminação de miR156,
acelera a mudança de fase e o crescimento reprodutivo. A interação entre miR156 e SPL foi demonstrada em
plantas lenhosas de grande longevidade e no musgo (Physcomitrella patens), o que indica que ela tem persistido
há, pelo menos, 400 milhões de anos.
Um dos alvos transcricionais de SPL é o gene MiR172B. À medida que os níveis de miR156 decrescem, os níveis de
SPL e de miR172 aumentam. Os alvos de miR172 incluem mRNAs que codificam fatores de transcrição que estão
correlacionados com um atraso na transição de fase de juvenil a adulta. Ao eliminar a sua ação, miR172 promove
a mudança de fase.
CONTROLO PELOS miRNAs DO PADRÃO DE DESENVOLVIMENTO
Um dos primeiros papéis funcionais dos miRNAs nas plantas foi determinado a partir de estudos de
desenvolvimento foliar. As folhas têm uma página superior (adaxial) e uma inferior (abaxial), as quais são
especificadas pela restrição de padrões de expressão de fatores de transcrição, que incluem a proteína HD-ZIP III
PHABULOSA (PHB). O gene que codifica PHB foi inicialmente identificado como um alelo de ganho-de-função, que
posteriormente se constatou afetar a ligação do mRNA pelo miR165/6. Nas plantas do tipo selvagem, a atividade
de PHB está restringida à página adaxial da folha pela ação do miR165/6 na página abaxial. O mRNA de ganho-defunção resistente ao miRNA permite a acumulação de PHB durante o desenvolvimento da folha e uma perda de
polaridade da folha.
A repressão da atividade PHB mediada pelo miR165/6 também afeta o padrão radial de desenvolvimento na raiz.
Os genes miR165a e miR166b são expressos na endoderme, a camada de células que se localiza precisamente no
exterior do cilindro vascular. Pensa-se que os miRNAs codificados se movem para o tecido vascular central, onde
contribuem para a formação de um gradiente de atividade de PHB que, por seu turno, contribui para o
estabelecimento do adequado padrão radial dos tecidos vasculares.
Pela interferência com a tradução dos mRNAs, os miRNAs controlam pós-transcricionalmente os padrões de
expressão temporal e espacial de genes, particularmente genes reguladores que codificam fatores de transcrição.
Assim, as suas contribuições para a regulação do proteoma que é expresso têm, essencialmente, tanto significado
como as dos próprios fatores de transcrição. Através do trabalho de diversos laboratórios começa-se a perceber
que os miRNAs participam em muitos, senão na maioria, dos processos dos padrões de desenvolvimento. As
funções reguladoras dos miRNAs estão particularmente bem estudadas nos mecanismos de desenvolvimento
foliar, nos quais eles contribuem para definir os padrões e a progressão da filotaxia (disposição das folhas), o
crescimento, a forma, a diferenciação e a senescência.
CONTROLO PELO miRNA DA HOMEOSTASE DE NUTRIENTES
As plantas vasculares obtêm os nutrientes minerais através das suas raízes, mas na maior parte dos casos, o
grosso da biomassa vegetal está na parte aérea. Por conseguinte, deverá haver uma extensa comunicação entre
as células da parte aérea e da raiz para ocorrer uma adequada regulação da absorção e homeostase dos iões. O
fosfato é necessário para a síntese de ácidos nucleicos e lípidos membranares e é, frequentemente, um nutriente
limitante do crescimento vegetal. As plantas respondem às condições de fosfato limitante através da alteração do
seu padrão de crescimento da raiz, modificando atividades bioquímicas e incrementando a expressão de genes
que codificam proteínas transportadoras.
O gene PHO2 codifica uma enzima E2 conjugadora de ubiquitina que está envolvida na resposta da planta à
deficiência de fosfato. O PHO2 “desliga” a absorção de fosfato quando este não é limitante. A expressão de PHO2
é inibida em condições de deficiência de fosfato pela ação de miR399. Nos mutantes com perda de função pho2
ou em plantas que sobre-expressam miR399, os genes de deficiência de fosfato são expressos mesmo quando o
fosfato não é limitante. A deficiência de fosfato leva à acumulação de miR399 e ao silenciamento de PHO2,
permitindo que sejam expressos os genes de resposta à deficiência de fosfato.
Experiências usando enxertia mostraram que o fenótipo dos mutantes pho2 é independente da expressão de
PHO2 na parte aérea, demonstrando que o local de ação de PHO2 é nas raízes. Em contraste, a sobre-expressão
de miR399 na parte aérea ou nas raízes induz o fenótipo de sobre-acumulação de fosfato. Este resultado é
inesperado. Como consegue a expressão de miR399 apenas na parte aérea interferir com a atividade PHO2 nas
raízes? Aparentemente, o miR399 é translocado da parte aérea para as raízes, no floema; em plantas que sobreexpressam miR399 exclusivamente na parte aérea, os níveis de miR399 aumentam na raiz. Em apoio a este
modelo, foi isolado miR399 no floema, aumentando aí a sua abundância durante a deficiência de fosfato. Estes
estudos apoiam fortemente a ideia de que o miR399 atua como um sinal de deficiência de fosfato que é
translocado da parte aérea para a raiz, onde atua na promoção da absorção de fosfato através da inibição da
expressão de PHO2.
Os próprios miRNAs podem estar sujeitos a regulação pós-transcricional, como se verificou pela descoberta do
gene INDUZIDO-PELA-DEFICIÊNCIA-DE-FOSFATO1 (IPS1, INDUCED BY PHOSPHATE STARVATION1), que atua como
um alvo mimético de controlo da acção de miR399. O IPS1 tem uma complementaridade imperfeita com a
sequência de miR399, pois essa complementaridade é interrompida por uma ansa de desemparelhamento no
esperado local de clivagem de miRNA. Devido a esta interrupção de complementaridade o RNA do IPS1 sequestra
o miR399 e impossibilita-o de degradar o mRNA de PHO2. Este tipo de mimetismo de alvo tem uma aplicação
mais geral e pode controlar de uma maneira fina a ação de outros miRNAs. Alvos miméticos sintéticos, designados
esponjas miRNA ou antagomirs, estão a ser desenvolvidos como agentes terapêuticos para o tratamento de
doenças humanas associadas a miRNAs e têm o potencial de serem usados na regulação da ação dos miRNAs nas
plantas.
OUTRAS CLASSES DE PEQUENOS RNAs
tasiRNAs
Os tasiRNAs são codificados por genes TAS e atuam em trans para regular os produtos de outros genes. Os
transcritos de TAS são processados por clivagem de miRNAs, copiados em dsRNAs por RdRPs e clivados em siRNAs,
sendo produzidos em cada locus vários diferentes tasiRNAs em fase. Tal como os miRNAs, os tasiRNAs interatuam
com AGO1 para dirigir a clivagem de alvos específicos. A Arabidopsis tem 4 famílias TAS. Os tasiRNAs de TAS1 e
TAS2 atuam sobre uma grande família de proteínas designadas PENTATRICOPEPTIDE REPEATs; os tasiRNAs de
TAS3 atuam sobre fatores de transcrição ARF e os tasiRNAs de TAS4 atuam sobre fatores de transcrição MYB. Tal
como os miRNAs, os tasiRNAs podem ser importantes reguladores dos processos de desenvolvimento. Mutações
nos genes TAS3 ou nos genes de processamento dos tasiRNAs, RDR6, DCL4 ou AGO7 (aka ZIPPY), levam à sobreexpressão de ARF3 alvos de tasiRNAs. Entre as consequências fenotípicas destas mutações contam-se, a
aceleração do tempo de mudança da fase vegetativa e as alterações na polaridade das folhas.
siRNAs que actuam naturalmente em cis
Os nat-siRNAs (“natural cis-acting siRNAs”) são uma outra classe de siRNAs recentemente identificada. Derivam
de transcritos naturais anti-sentido, os quais resultaram de codificação na cadeia oposta do mesmo locus de DNA
que forma o mRNA complementar. O par de mRNAs é processado em nat-siRNA, o qual atua em cis para regular
um dos transcritos naturais anti-sentido, da parceria. Os loci que codificam nat-si RNAs e que até à data foram
caracterizados são induzidos por stress, o que sugere que os nat-siRNAs poderão ter um papel especial nas
respostas de defesa.
APLICAÇÕES
Perceber como os pequenos RNAs regulam a expressão génica fornece-nos um conjunto admirável de
ferramentas com as quais é possível investigar a função dos genes e modificar as características das plantas. Sem
surpresa, uma das primeiras utilizações desta tecnologia tem sido a de produzir plantas resistentes aos vírus, pela
introdução de um gene que origina um RNA com estrutura do tipo “gancho de cabelo”, complementar do genoma
viral, para iniciar o processo de silenciamento. É interessante constatar que a expressão nas plantas de um RNA
com estrutura do tipo “gancho de cabelo” que tenha como alvo genes de insetos ou de nemátodos pode iniciar o
silenciamento génico nesses parasitas e tornar as plantas resistentes a nemátodos parasitas e lagartas herbívoras.
Genes endógenos das plantas podem ser silenciados de forma específica através da sua introdução nas plantas
em vetores de expressão especializados, os quais possam desencadear um forte silenciamento desses genes
endógenos. Esta metodologia é importante nas tentativas de descoberta de genes, para identificar as funções
génicas, mas também tem aplicações comerciais. Compostos indesejáveis podem ser eliminados das culturas de
plantas alimentares, usando o silenciamento de genes para “desligar” processos bioquímicos. Por exemplo, será
possível eliminar o composto tóxico gossipol das sementes do algodoeiro, por forma a que elas possam ser
utilizadas como fonte alimentar, eliminar compostos alergénicos do amendoim, ou produzir café descafeínado.
A tecnologia dos pequenos RNAs também tem grande potencial no tratamento de doenças humanas; várias
terapias baseadas no silenciamento mediado pelos pequenos RNAs estão em ensaio clínico. Nos animais, os
miRNAs modulam os níveis de expressão de um número tão apreciável como um terço dos genes. Diversos
processos metabólicos são controlados coordenadamente por atividades de miRNAs. Muitos genes envolvidos na
síntese do colesterol são regulados pelo miR122 e, portanto, interferir com a sua ação pode coordenadamente
alterar a expressão de todo o processo metabólico. Em estudos animais, o antagomir-122 pode reprimir
seletivamente a biossíntese do colesterol e baixar os níveis de colesterol no plasma. O silenciamento de genes
pelo siRNA, baseado na introdução de dsRNA ou de RNA com estrutura do tipo “gancho de cabelo”, está a ser
explorado para o tratamento de várias doenças e agentes patogénicos.
CONCLUSÕES
As células eucarióticas produzem vários tipos de pequenos RNAs não codificantes que contribuem para a
regulação e defesa do seu genoma. Os siRNAs são produzidos a partir de regiões silenciadas do genoma, ricas em
repetições heterocromáticas, e são necessários para garantir que essas regiões se mantenham no estado
silenciado. Os siRNAs também são produzidos em resposta a DNA externo e dão importante contribuição na
defesa contra os agentes patogénicos. Os miRNAs e os tasiRNAs, codificados por genes MIR e TAS, regulam
espacial e temporariamente os seus alvos, muitos dos quais estão envolvidos no desenrolar dos processos de
desenvolvimento e seus padrões, na absorção de nutrientes, ou nas respostas ao stress. A descoberta de
processos regulatórios por pequenos RNAs tem-nos fornecido novas ferramentas para modular a expressão
génica, para o melhoramento das culturas agrícolas e para as terapias médicas. As recentes e rápidas revelações
do mundo dos pequenos RNAs chamam-nos a atenção para o facto de as células ainda terem a capacidade de nos
surpreender com a sua complexidade e de ainda nos aguardarem grandes descobertas.
Mary E. Williams [email protected] Features Editor, The Plant Cell American Society of Plant Biologists c/o
Plant Science Research Group University of Glasgow
Tradução de Cândido Pinto Ricardo (Instituto de Tecnologia Química e Biológica/UNL)
Revisão: Inês Chaves (Instituto de Tecnologia Química e Biológica/UNL), José António Matos (Instituto Nacional de
Investigação Agrária), Nelson Saibo (Instituto de Tecnologia Química e Biológica/UNL) e Ana Paula Santos
(Instituto de Tecnologia Química e Biológica/UNL).
BIBLIOGRAFIA ACONSELHADA
Artigos de Revisão
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